JP2021175246A - インバータを主電源とする配電系統の保護装置および保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータが主電源となる配電系統において、インバータが過電流停止しないレベルの電流値においても、短絡事故を検出することができるようにする。【解決手段】従来の、過電流継電器の瞬時要素５１Ｈおよび限時要素５１Ｌの動作出力か、又は、インバータが過電流停止することなく運転が可能な電流値に整定された過電流継電器５１ＩＮＶの動作出力および複数の配電線の線間電圧のインバータの過電流抑制制御にともなう電圧低下を検出する不足電圧継電器２７の動作出力の論理積条件（アンド回路２１０）成立時の動作出力の、いずれか（オア回路２３０）に基いて短絡事故を検出する。【選択図】 図１

Description

本発明は、配電系統の保護方式に係り、特にインバータ電源を主電源としたオフグリッドの配電系統の保護方式に関する。

従来、高圧配電線の短絡事故に対しては、過電流リレーによって保護が行われてきた。これは、主電源としての例えば同期発電機が、１５％程度の初期過渡リアクタンスであり、定格電流の約６倍の短絡電流を供給することが可能であるため、系統正常時に流れる電流と事故時の電流の大きさが異なることを利用したものである。

尚、従来、交流電力を送電線に供給するインバータ回路を備えたパワーコンディショナにおいて、送電線の事故発生を検出することは例えば特許文献１に記載されている。

また、分散型電源の直流電力を交流電力に変換して電力系統と連系するインバータの制御装置は、例えば特許文献２に記載されている。

ＷＯ２０１９／０９７５８０ 特開２０１６−１０２０３号公報

一方で、最近では燃料費や燃料運搬費のコスト削減や地球温暖化対策の観点から、オフグリッドの配電系統に太陽光発電等の再生可能エネルギー電源を導入する動きが進められている。

再生可能エネルギー電源の多くはインバータ電源であるが、インバータは一般的に過負荷耐量が定格の百数十％と小さいため、事故時に過電流リレーの動作レベルまで電流を供給することができないという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、インバータを主電源とする配電系統において、インバータが過電流停止しないレベルの電流値においても、短絡事故を検出することができるインバータを主電源とする配電系統の保護装置および保護方法を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置は、
発電機と、主電源としてのインバータを母線に連系した配電系統の短絡事故を検出して保護を行う保護装置であって、
前記母線の電圧を検出した母線電圧検出信号と、母線に接続される複数の配電線に流れる電流を各々検出した配電線電流検出信号とを入力とし、
前記インバータが過電流停止することなく運転が可能な電流値に整定された第１の過電流継電器の出力と、前記複数の配電線の線間電圧の低下を検出する不足電圧継電器の出力との論理積が成立したときに限時動作する第１の保護要素と、
第２の過電流継電器の瞬時要素を有し、入力電流が、整定された過電流レベルを超えたときに瞬時動作する第２の保護要素と、
第２の過電流継電器の限時要素を有し、入力電流が、整定された過電流レベルを超えたら限時動作する第３の保護要素と、を備え、
前記第１〜第３の保護要素の各動作の論理和条件成立時に短絡事故有りと判定することを特徴としている。

請求項２に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置は、請求項１において、
前記第１の保護要素は、
前記配電系統に流れる電流の方向を検出する電流方向検出手段を備え、電流方向検出手段が順方向を検出したことと、前記第１の過電流継電器および不足電圧継電器の出力有りとの論理積条件成立時に限時動作することを特徴としている。

請求項３に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置は、請求項１において、
前記第１の保護要素は、
前記配電系統に流れる電流の方向を検出する電流方向検出手段を備え、電流方向検出手段が逆方向を検出していないことと、前記第１の過電流継電器および不足電圧継電器の出力有りとの論理積条件成立時に限時動作することを特徴としている。

請求項４に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置は、請求項１から３のいずれか１項において、
前記インバータが過電流抑制制御中であることを示す信号を、前記第１の保護要素における論理積条件に追加したことを特徴とする。

請求項５に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置は、請求項１から４のいずれか１項において、
前記インバータが過電流抑制制御を開始してから設定した時間内に、過電流抑制制御における過電流制限値を、過電流停止回避可能レベルから連続運転可能レベルに低減させ、短絡事故除去後は再び元の過電流停止回避可能レベルに戻す機能を設けたことを特徴とする。

請求項６に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置は、請求項１から５のいずれか１項において、
前記配電線に接続される高圧需要家には、インバータが供給できる短絡電流よりも小さい電流においてロック機能を持つ柱上気中開閉器が設けられていることを特徴とする。

請求項７に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置は、請求項１から６のいずれか１項において、
前記第１の保護要素および第３の保護要素に反限時特性を各々持たせたことを特徴とする。

請求項８に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護方法は、
発電機と、主電源としてのインバータを母線に連系した配電系統の短絡事故を検出して保護を行う保護方法であって、
前記母線の電圧を検出した母線電圧検出信号と、母線に接続される複数の配電線に流れる電流を各々検出した配電線電流検出信号とを入力するステップと、
前記インバータが過電流停止することなく運転が可能な電流値に整定された第１の過電流継電器の出力と、前記複数の配電線の線間電圧の低下を検出する不足電圧継電器の出力との論理積をとる論理積処理ステップと、
前記論理積処理ステップの論理積が成立したときに限時動作する第１の保護要素と、第２の過電流継電器の瞬時要素を有し、入力電流が、整定された過電流レベルを超えたときに瞬時動作する第２の保護要素と、第２の過電流継電器の限時要素を有し、入力電流が、整定された過電流レベルを超えたら限時動作する第３の保護要素と、の論理和をとる論理和処理ステップと、を備え、
前記論理和処理ステップの論理和条件成立時に短絡事故有りと判定することを特徴としている。

（１）請求項１〜８に記載の発明によれば、従来の過電流継電器では検出できなかった、インバータが過電流停止しないレベルの事故電流においても、インバータの過電流抑制制御にともなう電圧低下を検出しているので、短絡事故を確実に検出することができる。これによって、短絡事故発生の配電線を切り離すなどの保護動作を行うことができる。
（２）請求項２に記載の発明によれば、順潮流による過電流のみを検出することにより、健全な配電線の不要トリップを防止することができる。
（３）請求項３に記載の発明によれば、潮流方向を判定することができない程度まで電圧が低下した場合の短絡事故において、検出漏れを防止することができる。
（４）請求項４に記載の発明によれば、インバータの過電流抑制制御中の信号を直接取り込んでいるので、不要動作を一層防止することができる。
（５）請求項５に記載の発明によれば、インバータの電流抑制動作を長時間継続させることができ、配電線に接続された高圧需要家設備内の事故との保護協調を図ることができる。
（６）請求項６に記載の発明によれば、配電線に接続された高圧需要家の設備内における事故継続を回避することができる。

本発明の実施例１の構成図。 本発明の実施例２の構成図。 本発明の実施例３の構成図。 本発明の実施例４の構成図。 本発明の実施例５の構成図。 本発明の実施例６の構成図。 本発明が適用される配電系統の全体構成図。 本発明の実施例２における電流方向検出手段の例を示し、（ａ）は一例の構成図、（ｂ）は（ａ）の動作を説明するための電圧、電流ベクトル図、（ｃ）は他の例の構成図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

まず、本発明が適用される配電系統の構成例を図７に示す。図７はオフグリッドにて電力供給を行う配電系統を示し、主電源としてのインバータ電源（ＩＮＶ）１０１と、発電機（Ｇ）１０２は母線１０３に連系（接続）されている。

インバータ電源１０１は、再生可能エネルギー電源としての例えば太陽光発電（ＰＶ）装置、風力発電（ＷＴ）装置、蓄電システム（ＢＥＳＳ）のいずれか（図示省略）と、その電源の直流電力を交流電力に変換するインバータ（図示省略）とを備えている。

母線１０３には、遮断器１０４−１〜１０４−Ｎを介して配電線１１０−１〜１１０−Ｎが接続されている。

配電線１１０−１〜１１０−Ｎには、複数の太陽光発電装置（ＰＶ）１２１…および複数の負荷１２２…が各々接続されている。

１３０−１〜１３０−Ｎは、母線１０３の電圧を計器用変圧器１３１により検出した母線電圧検出信号と、配電線１１０−１〜１１０−Ｎの電流を変流器１３２−１〜１３２−Ｎにより各々検出した配電線電流検出信号とを取り込んで、配電系統の短絡事故を検出して保護動作を行う保護リレー（本発明の保護装置）である。

保護リレー１３０−１〜１３０−Ｎの詳細は、以下の実施例１〜６のように構成されている。

図１は、実施例１における保護リレー１３０−１〜１３０−Ｎのうちの１つの保護リレーの構成を表し、短絡保護に関するリレーシーケンスを示している。

図１において５１ＩＮＶは、図７のインバータ電源１０１内のインバータが過電流停止することなく運転が可能な電流値に整定され、整定値を超えたときに動作出力を発する第１の過電流継電器である。

２７（線間）は、図７の配電線１１０−１〜１１０−Ｎの線間電圧の低下を検出し、検出時に動作出力を発する不足電圧継電器であり、例えばインバータ電源１０１内のインバータの過電流抑制制御にともなう電圧低下を検出する。

２１０は、第１の過電流継電器５１ＩＮＶの動作出力と不足電圧継電器２７の動作出力との論理積（ＡＮＤ）をとるアンド回路である。

２２１は、アンド回路２１０の出力に反限時特性（入力が大のときは短時間で動作し、入力が小のときは長時間経過後に動作する特性）をもたせる反限時特性部である。

これら第１の過電流継電器５１ＩＮＶ、不足電圧継電器２７、アンド回路２１０、反限時特性部２２１によって、本発明の第１の保護要素を構成している。

５１Ｈは、入力電流（図７の変流器１３２−１〜１３２−Ｎで検出された各配電線の電流）が、整定された過電流レベルを超えたときに瞬時に動作出力を発する第２の過電流継電器瞬時要素である。この第２の過電流継電器瞬時要素５１Ｈは本発明の第２の保護要素を構成している。

５１Ｌは、入力電流（図７の変流器１３２−１〜１３２−Ｎで検出された各配電線の電流）が、整定された過電流レベルを超えたら限時動作する第２の過電流継電器限時要素である。

２２２は、第２の過電流継電器限時要素５１Ｌの出力に反限時特性（入力が大のときは短時間で動作し、入力が小のときは長時間経過後に動作する特性）をもたせる反限時特性部である。

これら第２の過電流継電器限時要素５１Ｌおよび反限時特性部２２２によって本発明の第３の保護要素を構成している。

尚、前記過電流継電器瞬時要素５１Ｈ、過電流継電器限時要素５１Ｌは、従来の短絡事故の保護方式で用いられていた要素であり、例えばこれら要素５１Ｈ、５１Ｌの動作出力の論理和条件成立により短絡事故を検出するものであった。

２３０は、前記第１〜第３の保護要素の各出力（反限時特性部２２１の出力、第２の過電流継電器瞬時要素５１Ｈの出力、反限時特性部２２２の出力）の論理和（ＯＲ）をとるオア回路である。

前記論理和条件が成立したときは、オア回路２３０から短絡事故有りを示す信号が出力され、この信号に基いて短絡事故発生の配電線を切り離すなどの保護動作が行われる。

上記のように構成された装置において、変流器１３２−１〜１３２−Ｎにより検出された電流が、第２の過電流継電器瞬時要素５１Ｈ、限時要素５１Ｌで整定された過電流レベルを超えた場合は、該要素５１Ｈ、５１Ｌの動作により短絡事故が検出される。

また、前記要素５１Ｈ、５１Ｌで整定された過電流レベルに達せず、インバータが過電流停止しないレベルの電流であっても、第１の過電流継電器５１ＩＮＶに整定されている、インバータが過電流停止することなく運転が可能な電流値を超え、且つ不足電圧継電器２７が、インバータの過電流抑制制御にともなう電圧低下を検出することにより、アンド回路２１０から動作出力が発せられ、短絡事故が検出される。

本実施例２では、本発明の第１の保護要素におけるアンド条件として、配電系統に流れる電流の方向が順方向（順潮流）であることを条件に追加した。

図２は、実施例２における保護リレー１３０−１〜１３０−Ｎのうちの１つの保護リレーの構成を表し、図１と同一部分は同一符号をもって示している。

図２において図１と異なる点は、図７の配電線１１０−１〜１１０−Ｎに流れる電流の方向を検出し、順方向（順潮流）のときに動作出力を発する電流方向検出手段、例えば交流電力方向継電器６７Ｓを設け、アンド回路２１０は、第１の過電流継電器５１ＩＮＶ、不足電圧継電器２７、交流電力方向継電器６７Ｓの各動作出力の論理積をとることにあり、その他の部分は図１と同一に構成されている。

上記構成によれば、配電系統に流れる電流の方向が順方向（順潮流）であることをアンド回路２１０における論理積条件に加えているので、順潮流による過電流のみを検出することができ、健全な配電線の不要トリップを防止することができる。

交流電力方向継電器６７Ｓの構成例を図８に示す。図８において、入力される交流電圧信号は、図７の母線１０３に設けられた計器用変圧器１３１からの検出電圧信号であり、入力される交流電流信号は、図７の配電線１１０−１〜１１０−Ｎに設けられた変流器１３２−１〜１３２−Ｎからの検出電流信号である。

図８（ａ），（ｂ）において、入力された交流電圧信号と交流電流信号は、ベクトル化部２６１Ｖ，２６１Ｉで各々ベクトル化された後、位相比較部２６２で位相比較される。

例えば図８（ｂ）において、電圧ベクトルＶに対する電流ベクトルＩが順方向領域にあるか、逆方向領域にあるかによって位相比較部２６２から方向判定結果が出力される。

また、他の例を示す図８（ｃ）においては、有効電力演算部２６３で有効電力Ｐが演算され、そのＰの極性によって方向判定結果（Ｐ＜０ならば逆方向）が出力される。

本実施例３では、本発明の第１の保護要素におけるアンド条件として、配電系統に流れる電流の方向が逆方向ではないことを条件に追加した。

図３は、実施例３における保護リレー１３０−１〜１３０−Ｎのうちの１つの保護リレーの構成を表し、図２と同一部分は同一符号をもって示している。

図３において図２と異なる点は、交流電力方向継電器６７Ｓに代えて交流逆電力方向継電器６７Ｒを設け、その反転動作出力をアンド回路２１０に取り込むように構成し、アンド回路２１０は、第１の過電流継電器５１ＩＮＶの動作出力と、不足電圧継電器２７の動作出力と、交流逆電力方向継電器６７Ｒの反転動作出力との論理積をとることにあり、その他の部分は図２と同一に構成されている。

交流逆電力方向継電器６７Ｒの構成は、図８において、逆方向領域となっているときにオンとなる、交流電力方向継電器６７Ｓと逆論理の継電器である。

上記構成によれば、配電系統に流れる電流の方向が逆方向（逆潮流）でないことをアンド回路２１０における論理積条件に加えているので、順潮流および潮流方向が判定できないレベルまで電圧が低下した場合の過電流のみを検出することができ、健全な配電線の不要トリップを防止することができる。

本実施例４では、本発明の第１の保護要素におけるアンド条件として、インバータが過電流抑制制御中であることを条件に追加した。

図４は、実施例４における保護リレー１３０−１〜１３０−Ｎのうちの１つの保護リレーの構成を表し、図３と同一部分は同一符号をもって示している。

図４において図３と異なる点は、アンド回路２１０には図７のインバータ電源１０１内のインバータから出力される過電流抑制制御中であることを示す信号がさらに取り込まれ、アンド回路２１０は、第１の過電流継電器５１ＩＮＶの動作出力、不足電圧継電器２７の動作出力、交流逆電力方向継電器６７Ｒの反転動作出力と、インバータから出力される過電流抑制制御中であることを示す信号との論理積をとることにあり、その他の部分は図３と同一に構成されている。

上記構成によれば、インバータの過電流抑制制御中の信号を直接取り込んでいるので、不要動作を一層防止することができる。

尚、本実施例４を実施例１に適用する場合は、図１におけるアンド回路２１０の論理積条件に、インバータの過電流抑制中の信号を追加するものである。

また前記実施例４は、交流電力方向継電器６７Ｓを用いた実施例２に適用することも可能であり、交流電力方向継電器６７Ｓの動作出力又は交流逆電力方向継電器６７Ｒの反転動作出力のいずれかを用いる実施例５の構成を図５に示す。

図５において、アンド回路２１０には第１の過電流継電器５１ＩＮＶの動作出力、不足電圧継電器２７の動作出力、交流電力方向継電器６７Ｓの動作出力又は交流逆電力方向継電器６７Ｒの反転動作出力と、インバータから出力される過電流抑制制御中であることを示す信号とが入力され、アンド回路２１０はそれらの論理積をとるものであり、その他の部分は図４と同一に構成されている。

実施例５によれば、実施例１〜４で述べた各効果が期待できる。

実施例６では、実施例１〜５のいずれかにより短絡事故が検出された場合に、インバータが過電流抑制制御を開始してから設定した時間内に、過電流抑制制御における過電流制限値を、過電流停止回避可能レベルから連続運転可能レベルに低減させ、短絡事故除去後は再び元の過電流停止回避可能レベルに戻す機能を、インバータの制御装置に設けた。

図６は実施例６の構成を表し、図７、図４、図５と同一部分は同一符号をもって示している。図６の破線で囲む部分は、図７の構成を、２本の配電線１、２に簡略して図示したものであり、１２３は、インバータが供給できる短絡電流よりも小さい電流においてロック機能を持つ柱上気中開閉器ＰＡＳ（Ｐｏｌｅ Ａｉｒ Ｓｗｉｔｃｈ）および引込線を介して配電線２に接続された高圧需要家である。

図６の保護リレー１、保護リレー２は実施例１〜５が適用される保護リレーであり、破線矢印はインバータから出力される過電流抑制制御中であることを表す信号を示している。このため図６の破線で囲む部分は実施例４、５の構成を代表して図示しているが、これに限らず実施例１〜３の構成であってもよい。

図６において、配電線２から柱上気中開閉器ＰＡＳを介して分岐した高圧需要家１２３の設備内で発生した事故に対しても、インバータ電源（１０１）の場合、供給可能な事故電流は制限される。そのため、高圧需要家１２３の設備内での事故検出・除去に要する時間が従来よりも長くなる場合がある。

そこで図６のように、インバータが過電流抑制制御を開始してから設定した時間内に、過電流抑制制御における過電流制限値を、過電流停止回避可能レベル（図示過電流停止レベル）から連続運転可能レベルに低減させ、短絡事故除去後は再び元の過電流停止回避可能レベル（図示過電流停止レベル）に戻す。

これによって、インバータが過負荷停止することなく連続運転することにより（インバータの電流抑制動作の長時間継続が可能となり）、確実に高圧需要家１２３の設備内での事故除去が行われ、配電線との保護協調が確保される。

また、高圧需要家１２３の設備内で事故が発生した場合においても、柱上気中開閉器ＰＡＳがロックすることにより、復電後の事故継続を回避することができる。

２７…不足電圧継電器
５１ＩＮＶ…第１の過電流継電器
５１Ｈ…第２の過電流継電器瞬時要素
５１Ｌ…第２の過電流継電器限時要素
６７Ｓ…交流電力方向継電器
６７Ｒ…交流逆電力方向継電器
１０１…インバータ電源
１０２…発電機
１０３…母線
１０４−１〜１０４−Ｎ…遮断器
１１０−１〜１１０−Ｎ…配電線
１２１…太陽光発電装置（ＰＶ）
１２２…負荷
１２３…高圧需要家
１３０−１〜１３０−Ｎ…保護リレー
１３１…計器用変圧器
１３２−１〜１３２−Ｎ…変流器
２１０…アンド回路
２２１，２２２…反限時特性部
２３０…オア回路
２６１Ｖ，２６１Ｉ…ベクトル化部
２６２…位相比較部
２６３…有効電力演算部
ＰＡＳ…柱上気中開閉器

Claims (8)

1. 発電機と、主電源としてのインバータを母線に連系した配電系統の短絡事故を検出して保護を行う保護装置であって、
   前記母線の電圧を検出した母線電圧検出信号と、母線に接続される複数の配電線に流れる電流を各々検出した配電線電流検出信号とを入力とし、
   前記インバータが過電流停止することなく運転が可能な電流値に整定された第１の過電流継電器の出力と、前記複数の配電線の線間電圧の低下を検出する不足電圧継電器の出力との論理積が成立したときに限時動作する第１の保護要素と、
   第２の過電流継電器の瞬時要素を有し、入力電流が、整定された過電流レベルを超えたときに瞬時動作する第２の保護要素と、
   第２の過電流継電器の限時要素を有し、入力電流が、整定された過電流レベルを超えたら限時動作する第３の保護要素と、を備え、
   前記第１〜第３の保護要素の各動作の論理和条件成立時に短絡事故有りと判定することを特徴としたインバータを主電源とする配電系統の保護装置。
2. 前記第１の保護要素は、
   前記配電系統に流れる電流の方向を検出する電流方向検出手段を備え、電流方向検出手段が順方向を検出したことと、前記第１の過電流継電器および不足電圧継電器の出力有りとの論理積条件成立時に限時動作することを特徴とした請求項１に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置。
3. 前記第１の保護要素は、
   前記配電系統に流れる電流の方向を検出する電流方向検出手段を備え、電流方向検出手段が逆方向を検出していないことと、前記第１の過電流継電器および不足電圧継電器の出力有りとの論理積条件成立時に限時動作することを特徴とした請求項１に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置。
4. 前記インバータが過電流抑制制御中であることを示す信号を、前記第１の保護要素における論理積条件に追加したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置。
5. 前記インバータが過電流抑制制御を開始してから設定した時間内に、過電流抑制制御における過電流制限値を、過電流停止回避可能レベルから連続運転可能レベルに低減させ、短絡事故除去後は再び元の過電流停止回避可能レベルに戻す機能を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置。
6. 前記配電線に接続される高圧需要家には、インバータが供給できる短絡電流よりも小さい電流においてロック機能を持つ柱上気中開閉器が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置。
7. 前記第１の保護要素および第３の保護要素に反限時特性を各々持たせたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のインバータを主電源とする配電系統の保護装置。
8. 発電機と、主電源としてのインバータを母線に連系した配電系統の短絡事故を検出して保護を行う保護方法であって、
   前記母線の電圧を検出した母線電圧検出信号と、母線に接続される複数の配電線に流れる電流を各々検出した配電線電流検出信号とを入力するステップと、
   前記インバータが過電流停止することなく運転が可能な電流値に整定された第１の過電流継電器の出力と、前記複数の配電線の線間電圧の低下を検出する不足電圧継電器の出力との論理積をとる論理積処理ステップと、
   前記論理積処理ステップの論理積が成立したときに限時動作する第１の保護要素と、第２の過電流継電器の瞬時要素を有し、入力電流が、整定された過電流レベルを超えたときに瞬時動作する第２の保護要素と、第２の過電流継電器の限時要素を有し、入力電流が、整定された過電流レベルを超えたら限時動作する第３の保護要素と、の論理和をとる論理和処理ステップと、を備え、
   前記論理和処理ステップの論理和条件成立時に短絡事故有りと判定することを特徴としたインバータを主電源とする配電系統の保護方法。

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